沈小俊， 黃維蓉， 楊玉柱， 何 靜， 宋 濤， 李鐵軍

(1.重慶市交通規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展中心， 重慶 400060； 2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074； 3.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074)

截至2020年，重慶高速公路通車?yán)锍桃淹黄?3 400 km。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的突飛猛進(jìn)，高速公路的質(zhì)量建設(shè)等級(jí)不斷提高，交通流量大幅度增長(zhǎng)，對(duì)路面行車安全提出了更高要求。瀝青路面抗滑性能衰變是指瀝青路面的抗滑性能隨著瀝青路面使用時(shí)間的增加而逐漸降低的過程。近年來，道路長(zhǎng)期使用性能在道路建設(shè)和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)中日益重視。路面的抗滑能力是瀝青路面長(zhǎng)期使用性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，研究瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律非常重要[1-2]。本文通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合的方法，研究瀝青路面抗滑性能機(jī)理、影響因素，以及高速公路瀝青路面衰減規(guī)律，提出保持瀝青路面良好抗滑性能的措施。

1 瀝青路面抗滑機(jī)理

瀝青路面的抗滑性能主要受路面構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)的影響。路面構(gòu)造深度是指在一定區(qū)域的路面上形成不均勻或起伏的開口孔隙的平均深度。開口空隙有利于排出路面表層水，降低路面水膜厚度，提高防滑性能；路面的摩擦系數(shù)是指車輪表面和路面兩表面間的摩擦力與作用在其一表面上的垂直力之比值。它與路表的粗糙度有關(guān)，與接觸面積的大小無關(guān)。根據(jù)物體接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，可分為動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)主要取決于路面集料的磨光值，要得到較好的抗滑性能就需要集料有較大的磨光值。不同的瀝青路面紋理構(gòu)造對(duì)路面抗滑性能影響不同。在實(shí)際工程中，為了便于研究路面構(gòu)造深度對(duì)抗滑性能的影響，將瀝青路面構(gòu)造分為宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造[3]。車輪與路面的摩擦系數(shù)、橫向力系數(shù)由微觀構(gòu)造決定，車輪與路面之間的附著力由宏觀和微觀構(gòu)造共同決定。

微觀構(gòu)造[4]是指路面與輪胎接觸的骨料表面的微小構(gòu)造，其垂直方向的波長(zhǎng)為0.01 mm～0.2 mm，水平方向的波長(zhǎng)為0 mm～0.5 mm。表面不均勻且充滿微凸體的集料為路面提供了基本的抗滑力。集料間的間距越小、微凸體越尖，輪胎與路面的摩擦力就越大，更能保證行車安全。微觀構(gòu)造尖峰值是評(píng)價(jià)路面潮濕狀態(tài)下抗滑能力的重要參數(shù)，在潮濕條件下微觀構(gòu)造尖峰可穿透水膜層，使輪胎與路面緊密接觸并產(chǎn)生摩擦力，提高抗滑能力，防止車輛發(fā)生側(cè)滑。在實(shí)踐工程中，為保證瀝青路面的抗滑性能，需要選擇高質(zhì)量的集料(高磨光值、高沖擊值、低磨耗值)來提升路面的微觀構(gòu)造。

宏觀構(gòu)造[5]指的是瀝青路面集料顆粒之間的空隙程度及由此產(chǎn)生的排水能力，空隙構(gòu)造通常具有垂直方向波長(zhǎng)0.2 mm～10 mm、水平方向波長(zhǎng)0.5 mm～50 mm的表面紋理。與微觀構(gòu)造相比，它能直接反映路面的粗糙程度，主要由集料之間的空隙決定，且受集料的公稱最大粒徑、瀝青混合料級(jí)配、油石比等因素的影響。同時(shí)，路面宏觀構(gòu)造又是瀝青路面排水性能的重要影響因素，關(guān)系到路表積水的排出，這與車輛滑移等交通事故緊密相關(guān)。

2 影響瀝青路面抗滑性能的內(nèi)在因素

影響瀝青路面抗滑的內(nèi)在因素包括：瀝青混合料類型、瀝青及集料種類、施工工藝、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理等。

2.1 瀝青混合料類型

目前常見的瀝青混合料種類[6]有OGFC-13，SMA-13和AC-13。

OGFC-13是大空隙開級(jí)配排水式瀝青混合料，混合料主要由粗集料鑲嵌成，細(xì)集料和填料都較少，設(shè)計(jì)空隙率一般大于18%，路面結(jié)構(gòu)層屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，具有粘聚力低，內(nèi)摩擦阻力較大，整體穩(wěn)定性良好，但耐久性較差的特點(diǎn)。此類瀝青混合料空隙率大，可快速將路表積水排出路面，在抗滑、降噪以及抗車轍方面都有良好性能。

SMA-13瀝青混合料，特點(diǎn)是集料各檔用量間斷，屬于間斷級(jí)配，其中粗集料用量較細(xì)集料多，瀝青和礦粉用量多，混合料中添加纖維以提高混合料強(qiáng)度，整體結(jié)構(gòu)屬于骨架密實(shí)型級(jí)配。SMA級(jí)配瀝青混合料的特性是混合料內(nèi)部粘聚力以及內(nèi)摩阻力較高，使用壽命較普通瀝青混凝土路面高20%～40%，SMA路面的鋪筑成本高于普通瀝青混凝土約18%～23%，但因這種級(jí)配在各方面表現(xiàn)出了較好的性能，在橋梁橋面鋪裝、高速公路、交叉路口、重交通道路路面得到應(yīng)用。

AC-13瀝青混合料屬于密級(jí)配瀝青混凝土，即各檔集料用量連續(xù)，逐級(jí)填隙，空隙率較小(3%～6%)，混合料結(jié)構(gòu)為懸浮密實(shí)型，粘聚力較高，內(nèi)摩阻力較小，混合料的耐久性能較好，但穩(wěn)定性差，設(shè)計(jì)以及成型技術(shù)成熟，我國70%～80%一二級(jí)公路使用此種類型作為瀝青路面的表層。在材料相同的情況下，級(jí)配對(duì)瀝青路面的抗滑指標(biāo)影響較大[7-8]，當(dāng)粗集料的粒徑大于4.75 mm的含量增多，其抗滑指標(biāo)相對(duì)較高，在3種瀝青混合料的實(shí)際使用情況中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際道路等級(jí)、環(huán)境選擇合適的瀝青混合料。

2.2 瀝青

瀝青在混合料中起到粘結(jié)集料的作用，使集料能有效地結(jié)合到一起，而瀝青的種類和用量對(duì)混合料的抗滑性也有一定影響。瀝青的種類決定了跟集料粘附性的優(yōu)劣和瀝青混合料的水穩(wěn)性，良好的粘附性和水穩(wěn)性也能保證路面抗滑性能不會(huì)因集料的剝落及發(fā)生各種水損害而下降。瀝青用量對(duì)瀝青混凝土路面的抗滑性能影響也非常明顯，當(dāng)瀝青混合料內(nèi)的瀝青含量較少，不能較好地裹覆集料時(shí)，集料就容易發(fā)生松動(dòng)脫落，導(dǎo)致路面抗滑性能下降；如果瀝青用量過大，混合料內(nèi)就會(huì)有大量的自由瀝青，造成“泛油”的瀝青膜現(xiàn)象，因此路表抗滑性迅速下降，同時(shí)在雨天時(shí)路表雨水不能及時(shí)排出，影響行車安全。

2.3 集料

集料的選擇是路面建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來有關(guān)學(xué)者研究表明，具有粗糙表面的集料碾壓后能相互嵌擠形成很大的內(nèi)摩擦角，所構(gòu)成的瀝青混合料與表面光滑的集料組合成的混合料相比有更好的抗滑性能和抗剪性能[9]。集料的磨光值決定了路面的微觀構(gòu)造，它能增加路面與輪胎之間的咬合程度，提升路表的抗滑能力，還能起到刺破水膜的作用，防止水滑現(xiàn)象。此外，集料中的針片狀含量也會(huì)對(duì)瀝青路面抗滑性能有一定的影響[10]，針片狀含量越高，則壓碎值、磨耗值越大。同時(shí)，礦質(zhì)集料的硬度、耐磨性對(duì)瀝青混凝土路面抗滑性能的影響更為顯著，硬度較低、耐磨性較差的礦料雖然在路面施工初期也可形成較粗糙的表面，但經(jīng)行車的不斷碾壓和磨耗，原來粗糙的表面很快就會(huì)被磨光，路面的抗滑性能將急劇下降，不能保證行車安全。因此，選擇磨光值高，磨耗值、壓碎值較小，針片狀含量較小，且具有較好棱角性的集料，可有效提高瀝青路面抗滑性能。細(xì)集料應(yīng)與瀝青有良好的粘結(jié)能力，形成的混合料才能有較好的水穩(wěn)定性。與瀝青粘結(jié)性能很差的天然砂礫和用花崗巖、石英巖等酸性石料破碎的機(jī)制砂及石屑不宜用于高速公路、一級(jí)公路瀝青面層，而用于高速公路、一級(jí)公路瀝青混凝土面層及抗滑表層的石屑用量不宜超過天然砂及機(jī)制砂的用量，使用時(shí)必須采用抗剝離措施。

2.4 施工工藝和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理

施工過程中的拌和、攤鋪、碾壓、成型均決定了路面的宏觀構(gòu)造，它不僅會(huì)影響車輛輪胎的變形特性，還會(huì)通過輪胎的變形和能量的釋放影響摩擦力的大小，另外還會(huì)影響路表的排水泄水能力。養(yǎng)護(hù)管理也對(duì)瀝青路面的抗滑性衰減有一定影響，在對(duì)瀝青路面進(jìn)行運(yùn)營養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)及時(shí)清除路面空隙內(nèi)的泥沙和路面的油污，填補(bǔ)坑槽及裂縫，防止集料大量脫落，導(dǎo)致路面抗滑性下降。

3 影響瀝青路面抗滑性能的外在因素

影響瀝青路面抗滑外在因素有車輛荷載與通車運(yùn)行時(shí)間、路面縱坡及坡長(zhǎng)、隧道內(nèi)外、氣候條件、交通量水平、溫度等。

3.1 車輛荷載及通車運(yùn)行時(shí)間

車輛荷載對(duì)瀝青路面的抗滑性能影響較大，設(shè)計(jì)之初須考慮車輛荷載與實(shí)際運(yùn)營的車輛荷載有一定的差異。另外，越來越多的超載交通事故說明，超載情況是影響瀝青路面抗滑性能的重要因素之一。車輛荷載對(duì)瀝青混合料路面抗滑力的影響主要表現(xiàn)在磨光作用和磨耗作用2個(gè)方面，隨著路面使用時(shí)間的增加，集料表面會(huì)逐漸被磨光，混合料在車輛荷載作用下被不斷磨耗，其表面的宏觀構(gòu)造逐漸被磨平，抗滑力下降。

整體上，瀝青混凝土路面的抗滑性隨通車運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而衰減，主要是瀝青混凝土路面通車后，表面豐富的紋理會(huì)逐漸被磨掉，集料的磨光值隨通車運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而變小，故路面的抗滑值不斷變小。

3.2 路面縱坡及坡長(zhǎng)

車輛在路面縱坡上行駛時(shí)需通過制動(dòng)來調(diào)整速度。汽車在制動(dòng)時(shí)，其輪胎與路面之間的摩擦形式從滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，增加了輪胎與路面之間的摩擦力，同路段長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)此狀況也會(huì)導(dǎo)致路面抗滑性下降。肖鑫[11]依托四川雅安至瀘州高速公路為實(shí)體工程，對(duì)該線路路面長(zhǎng)大縱坡的受力特點(diǎn)、車輛行駛對(duì)路面的作用特點(diǎn)進(jìn)行了分析，研究表明縱坡會(huì)引起路面有水平分力，并隨車輛制動(dòng)時(shí)水平分力迅速增大，且由于超長(zhǎng)連續(xù)下坡長(zhǎng)，車輛處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)間長(zhǎng)，加速了路面的抗滑性能衰減。谷遠(yuǎn)征[12]基于重載長(zhǎng)大縱坡抗滑性能衰減的機(jī)理研究表明，車輛在縱坡制動(dòng)時(shí)，車輛水平分力會(huì)增大，引起路面抗滑性能衰減。

3.3 隧道內(nèi)外

隧道內(nèi)外溫度差異較大，洞內(nèi)易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性滲水，濕度較大，路面長(zhǎng)期受潮濕環(huán)境影響。加之隧道為相對(duì)封閉環(huán)境，汽車排放的尾氣、路面油污不能及時(shí)完全排放到洞外，在路表形成一層油膜，使得洞內(nèi)路面的抗滑力下降；另外隧道內(nèi)外車速相差較大，車輛需不斷制動(dòng)控制車速，洞內(nèi)路面表層混合料被不斷磨耗，路面的抗滑力下降。同時(shí)，重車在制動(dòng)時(shí)噴灑水也會(huì)使隧道內(nèi)的路面長(zhǎng)期濕滑。日常養(yǎng)護(hù)管理中，一些長(zhǎng)大隧道的排水設(shè)施和結(jié)構(gòu)性滲水得不到及時(shí)修護(hù)，路面的油污不能及時(shí)清除，洞內(nèi)路面養(yǎng)護(hù)不到位，也會(huì)致使路面的抗滑力不斷下降。

3.4 季節(jié)氣候條件

據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，夏季因路面抗滑力不足誘發(fā)交通事故最多，有研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的摩擦力在冬季達(dá)到最大值，夏季為最小值，這說明季節(jié)對(duì)路面抗滑特性有著明顯影響。瀝青混合料會(huì)隨著溫度的升高而變軟，在車輛荷載作用下，其表面會(huì)發(fā)生一定的不易覺察的流動(dòng)，導(dǎo)致表面的宏觀構(gòu)造改變。夏季路表的平均溫度比冬季高，瀝青混合料更易變形，集料的棱角在車輛荷載作用下更易移位，形成一個(gè)較平整的表面。冬季則相反，集料的位置不易改變，混合料表面的宏觀構(gòu)造更為粗糙，瀝青混合料的摩擦力冬季較夏季大。

3.5 酸雨

周興林等[13]研究了酸雨對(duì)石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能的影響。試驗(yàn)采用不同周期、不同酸度的人造酸雨作為環(huán)境因素，將石灰?guī)r混合料試件浸泡，并分析了酸雨對(duì)其的腐蝕機(jī)理，認(rèn)為在腐蝕過程中首先與集料反應(yīng)，使得瀝青膜剝落，隨后在加速加載試驗(yàn)下，集料被磨耗。利用加速磨光試驗(yàn)進(jìn)行輪載作用后測(cè)試BPN值，結(jié)果表明酸雨環(huán)境下，SMA-13類型的抗滑性能衰減速度弱于AC-13型。

4 高速公路抗滑性能衰減規(guī)律分析

SCRIM橫向力系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理為：與行車方向成20°偏角并承受一定垂直荷載的測(cè)定輪，以一定速度行駛在潮濕路面上，測(cè)試輪胎所受到的側(cè)向摩擦阻力與垂直荷載的比值，稱為橫向力系數(shù)(SFC)。采用SCRIM橫向力系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)6年間(2014年—2019年)萬州—巫山高速公路(樁號(hào)K1281+000～K1412+000)、黃草—洪安高速公路(樁號(hào)K1743+900～K1996+000)、界石—黃草高速公路(樁號(hào)K1591+100～K1743+000)、中渝繞城路(樁號(hào)K0000+000～K0185+000)4條高速公路的抗滑性能進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。4條高速路段上行與下行方向每隔20 m采集一個(gè)橫向力系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，橫向力系數(shù)代表值見圖1。

萬州—巫山高速公路2014年建成通車，路面結(jié)構(gòu)為4 cm改性瀝青(AC-13C)+6 cm瀝青混凝土(AC-20C)+6 cm瀝青混凝土(AC-20C)+20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+20 cm石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石墊層，該路段2019年統(tǒng)計(jì)平均日交通量約20 171輛/d，見圖1(a)。

黃草—洪安高速公路具有交通量大，重車多，長(zhǎng)下坡路段長(zhǎng)，長(zhǎng)大隧道多，彎道多，天氣條件較惡劣的特點(diǎn)，尤其是K1886～K1894段，冬季路面常常結(jié)冰，影響行車安全。原路面采用級(jí)配相對(duì)較細(xì)的AC-13C細(xì)粒式改性瀝青混凝土面層，集料為石灰?guī)r碎石。該路段2019年平均日交通量約77 151輛/d。該路段在2019年進(jìn)行了加鋪1.0 cm微表處的路面養(yǎng)護(hù)處理，見圖1(b)。

(a) 萬州—巫山高速公路

(b) 黃草—洪安高速公路

(c) 界石—黃草高速公路

(d) 中渝繞城路

界石—黃草高速公路具有交通量大(2019年日交通量約為76 044輛/d),重載、超載車輛占比大，長(zhǎng)下坡較長(zhǎng)，長(zhǎng)大隧道較多，彎道多，天氣狀況惡劣等特點(diǎn)。路面結(jié)構(gòu)層厚度為18.0 cm，采用(4+6+8) cm結(jié)構(gòu)，僅面層采用改性瀝青，中、下層瀝青混凝土采用普通瀝青混凝土。分別在2011年、2014年進(jìn)行了路面病害維修處治，2015年對(duì)部分路段進(jìn)行了預(yù)養(yǎng)護(hù)處理(加鋪1.0 cm微表處)，見圖1(c)。

中渝繞城路主線路基段路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為4 cm改性瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)上面層+6 cm改性瀝青混合料(SUP-19)中面層+8 cm瀝青穩(wěn)定碎石(ATB-25)下面層+8 cm瀝青穩(wěn)定碎石(ATB-25)粘結(jié)層+19 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石墊層。該路段年平均日交通量約82 300輛/d，在2014年對(duì)該高速部分路段進(jìn)行了預(yù)養(yǎng)護(hù)處理(加鋪1.0 cm微表處)，見圖1(d)。

從圖1可知，4條高速公路的橫向力系數(shù)都呈先增后降趨勢(shì)。圖1(a)中，萬州—巫山高速路建成通車2年內(nèi)SFC出現(xiàn)增加，之后呈單調(diào)降低趨勢(shì)，表明抗滑性能在開始的2年內(nèi)出現(xiàn)小幅度增加，在以后幾年內(nèi)表現(xiàn)為衰減；圖1(b)中，黃草—洪安高速路2015年相對(duì)于2014年SFC出現(xiàn)顯著升高的趨勢(shì)，在2015年—2018年，其SFC為單調(diào)減小，在2019年加鋪1.0 cm微表處理后SFC出現(xiàn)小幅增加，但其數(shù)值相對(duì)于2015年—2016年仍然較低，表面抗滑性能在起始1年出現(xiàn)增加，但在以后幾年內(nèi)出現(xiàn)大幅度衰減；圖1(c)中，界石—黃草高速公路抗滑性能在通車后2年內(nèi)(2014年—2015年)會(huì)有小幅度增加，在2016年—2018年為降低，抗滑性能表現(xiàn)為單調(diào)衰減，在2019年進(jìn)行了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)加鋪處治，其SFC出現(xiàn)增加；圖1(d)中，中渝繞城路SFC在通車3年內(nèi)呈小幅度增加，2016年后出現(xiàn)下降，表明此高速路在養(yǎng)護(hù)后2年內(nèi)抗滑性能變化較小，在2年后抗滑性能出現(xiàn)衰減。

以上4條高速路通過SFC檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，路面抗滑性能基本都在竣工或養(yǎng)護(hù)后2年內(nèi)出現(xiàn)上升或持平，在2年后出現(xiàn)下降。抗滑性能增加主因是高速路在竣工或養(yǎng)護(hù)后，交通量相對(duì)較小，路面瀝青膜尚未脫落，在車輛輪胎抽吸作用下，宏觀構(gòu)造深度增大，致使SFC測(cè)試結(jié)果增大；另外，通車初期，粗集料磨耗較少，紋理尚存，路面抗滑性能好。通車運(yùn)營幾年后，隨著交通量持續(xù)增大，車輛荷載增加，瀝青膜被磨耗變薄或脫落，粗集料表面磨光，路面經(jīng)過幾個(gè)高溫季節(jié)的荷載作用、路面磨耗、宏觀構(gòu)造深度衰減，路面抗滑性能急劇下降。

5 結(jié)束語

1) 混合料類型中，OGFC-13混合料抗滑性能較好，其中集料影響路面微觀構(gòu)造、施工過程與運(yùn)營養(yǎng)護(hù)影響路面的宏觀構(gòu)造，從而影響路面的抗滑性能。

2) 車輛荷載對(duì)路面長(zhǎng)期的磨光與磨耗作用影響瀝青混合料路面的抗滑力；縱坡會(huì)引起路面隨車輛制動(dòng)而增大水平分力從而影響路面的抗滑性能；隧道內(nèi)外濕度、溫差與路面油污影響隧道內(nèi)路面的抗滑力；瀝青混合料在夏季會(huì)變軟，導(dǎo)致宏觀構(gòu)造改變，影響路面抗滑性能；酸雨對(duì)混合料的腐蝕，使瀝青膜剝落，影響路面抗滑性能。

3) 高速公路橫向力系數(shù)SFC在竣工后的2年內(nèi)會(huì)有小幅度增加或保持不變，運(yùn)營2年后，其SFC會(huì)出現(xiàn)單調(diào)下降，即高速抗滑性能衰減發(fā)生在竣工或養(yǎng)護(hù)之后的2年。因此，為保持高速公路良好的抗滑性能，建議每4年進(jìn)行一次路面養(yǎng)護(hù)。